1990年，在巴黎舉辦的世界博覽會(huì)上，一個(gè)名叫Ａｕｇｕｓｔ Ｇａｕｌｉｎ的人展出了由他發(fā)明的用于均質(zhì)牛奶的裝置。而在我國(guó)，對(duì)牛奶進(jìn)行均質(zhì)處理還不到十年的時(shí)間。
據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，Ｇａｕｌｉｎ的裝置第一次使用了"Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｄ"（均質(zhì)）這個(gè)詞。此后，"均質(zhì)"、"均質(zhì)機(jī)"、"乳化器"等這些詞都是與Ｇａｕｌｉｎ研制的裝置和工藝密不可分的。當(dāng)今，世界各國(guó)生產(chǎn)的林林總總的均質(zhì)器械，結(jié)構(gòu)上盡管各有差異，究其基本原理，與Ｇａｕｌｉｎ應(yīng)用的原理所差無(wú)幾，可以說(shuō)只是同工異曲。
一、均質(zhì)技術(shù)
均質(zhì)機(jī)，主要由柱塞泵以及與其組合的泵體和均質(zhì)閥組成。柱塞泵的作用是將一定粘度的液態(tài)物料吸入泵體，并對(duì)物料加壓。調(diào)壓裝置是使物料在特定的壓力下通過(guò)均質(zhì)閥。"均質(zhì)"是指物料在均質(zhì)閥中發(fā)生的細(xì)化和均勻混和的加工過(guò)程。
具體說(shuō)來(lái)，柱塞泵以０．２５－０．５米/秒的低速將原始物料吸入，通過(guò)與均質(zhì)閥連接的調(diào)壓裝置對(duì)均質(zhì)系統(tǒng)調(diào)壓。
柱塞泵對(duì)物料加壓，例如加壓至４０Ｍｐａ，由于柱塞泵吸入與壓出料液的流速相對(duì)比較穩(wěn)定，因此，只要控制閥座與閥芯之間的間隙也稱(chēng)開(kāi)啟度，就可以控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力。閥座、閥芯之間的間隙越小，系統(tǒng)的壓力越高，物料通過(guò)閥座、閥芯之間的流速也越高，６０Ｍｐａ時(shí)的流速高達(dá)３００米/秒左右。
依據(jù)流體力學(xué)的理論，液體流速越高的區(qū)域，其壓力越小。因此，料液高速流動(dòng)時(shí)，瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的壓力降。同時(shí)，料液在柱塞泵的作用下，系統(tǒng)內(nèi)積累了較大的能量密度，這種能量密度大約在６００－８００ｋｗ/ｃｍ３。料液在閥座與閥芯之間的流經(jīng)時(shí)間約為５０微秒，大量的能量在極短的時(shí)間內(nèi)得以釋放。
綜上所述，料液在高速流動(dòng)時(shí)的剪切效應(yīng)、高速?lài)娚鋾r(shí)的撞擊作用、瞬間強(qiáng)大壓力降時(shí)的空穴效應(yīng)三重作用下，使物料達(dá)到超細(xì)粉碎，從而使互不相溶的液一液或液一固混懸液均質(zhì)成液一液乳化劑或液一固分散體。
我們以加工油水乳化液為例。油和水是二種互不相溶的液體。若應(yīng)用高壓均質(zhì)機(jī)將油脂粉碎至直徑小于ｌμｍ的微粒均勻分布在水中。當(dāng)然，為了加工成穩(wěn)定的乳化液，還必須添加一種稱(chēng)之為表面活性劑的溶劑也稱(chēng)為乳化劑、穩(wěn)定劑等，活性劑的作用一是降低油水混合液的表面張力，二是阻止微小顆粒的凝聚和分層。活性劑的劑量要達(dá)到足以使已加工的乳化劑具有一定的穩(wěn)定期又稱(chēng)保持期，保質(zhì)期。這樣形成的乳化液稱(chēng)之為水包油型乳化液，它可以用水加以稀釋。反之，以油作為連續(xù)相，應(yīng)用高壓均質(zhì)機(jī)將水以微小顆粒均勻分布在油中，這樣形成的乳化液稱(chēng)之為油包水型乳化液，它只能用油加以稀釋。
均質(zhì)機(jī)屬高功率機(jī)械設(shè)備，流量二噸的高壓均質(zhì)機(jī)耗能量為４５ｋｗ，而同樣流量的膠體磨的耗能量只有７．５ｋｗ。以加工乳化液為例，行業(yè)不同，使用的表面活性劑也各不相同，但有一點(diǎn)是共同的，即乳化液所添加的表面活性劑劑量的多少，取決于乳化過(guò)程中所獲得的能量的大小。所獲能量越大，所添加的劑量越少。例如高壓均質(zhì)機(jī)４０Ｍｐａ壓力下加工乳化劑時(shí)，添加活性劑的劑量為０．２５％。應(yīng)用其它均質(zhì)器械，如用膠體磨加工乳化液，由于從膠體磨獲得的能量小得多，因此，添加劑的劑量必須在２．２５％，二者之差近乎于一個(gè)數(shù)量級(jí)。
總之，對(duì)于平均粒徑小于２μｍ最小粒徑在０．１μｍ左右的乳化劑和分?jǐn)?shù)體，均可以應(yīng)用高壓均質(zhì)機(jī)加工獲得。均質(zhì)機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，被廣泛應(yīng)用在食品、飲料、牛奶制品、精細(xì)化工、制藥、生物工程等領(lǐng)域數(shù)以千計(jì)的產(chǎn)品深加工。
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，均質(zhì)機(jī)的性能、規(guī)格有了很大的發(fā)展。從壓力區(qū)分，均質(zhì)機(jī)可分為低壓－２５Ｍｐａ、中壓－４０Ｍｐａ、高壓－６０Ｍｐａ、超高壓－１００Ｍｐａ以上四種類(lèi)型；流量上可分為每小時(shí)加工幾十公斤的實(shí)驗(yàn)型機(jī)、每小時(shí)加工數(shù)噸的生產(chǎn)型機(jī)、每小時(shí)加工幾十噸的特大型機(jī)；耗能上，又可分為普通型和高效節(jié)能型。值得一提的是，發(fā)達(dá)國(guó)家的能源并不匱乏，卻十分注重節(jié)約能源。正因?yàn)橐回炞⒅啬茉吹墓?jié)約，才得以保證能源的充余。
重視節(jié)約能源的理念，從廣義上講也是一種"發(fā)達(dá)"。因此，國(guó)際上十多年前就推出了具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利產(chǎn)品--高效節(jié)能型均質(zhì)機(jī)，節(jié)能達(dá)４０％。這對(duì)于我國(guó)本來(lái)就與國(guó)外先進(jìn)水平有著較大差距的均質(zhì)機(jī)制造業(yè)，一下子又被拉大了一段不小的距離。
我國(guó)低壓均質(zhì)機(jī)在上世紀(jì)60年代，也有個(gè)別廠(chǎng)家生產(chǎn)。中、高壓均質(zhì)機(jī)，因加工工藝和材料等原因，在我國(guó)一直是空白。隨著奶制品、飲料、化工、制藥等行業(yè)新產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的需要，上�？萍即髮W(xué)七十年代末在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了高壓均質(zhì)機(jī)的研制工作，八十年代初研制成功。從此，我國(guó)均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)逐步步入了快速發(fā)展時(shí)期。國(guó)產(chǎn)低壓、中壓、高壓各種規(guī)格的均質(zhì)機(jī)相繼投放市場(chǎng)，極大地滿(mǎn)足了我國(guó)各行各業(yè)的生產(chǎn)需求。
二、均質(zhì)機(jī)應(yīng)用工藝
均質(zhì)機(jī)超細(xì)粉碎、乳化功能，無(wú)論是從理論上，還是實(shí)際加工的乳劑和分散體所獲得的細(xì)度、均勻度的質(zhì)量上，都是高速攪拌、砂磨、球磨、膠體磨、超聲波等均質(zhì)器械不能比擬的。但是，如果在工藝上應(yīng)用不正確、不得當(dāng)，也是無(wú)法獲得滿(mǎn)意結(jié)果的，至少不可能獲得最佳的效果。
均質(zhì)加工所選用壓力的大小，決定了物料獲得能量的大小。一般講來(lái)，粉碎所需要的能量，應(yīng)視物料粘度大小，液體表面張力的大小和最終粉碎細(xì)度的大小不同而不同。壓力不到位不行，壓力過(guò)高同樣沒(méi)有必要。物料粉碎粒徑越小，所需的能量越大。一般講，均質(zhì)壓力增大，微粒的平均粒徑減小，但微粒粒徑變小的速率隨之減慢。這表明，即便使用了很高的壓力，均質(zhì)機(jī)粉碎細(xì)度的功能并不是無(wú)限度的。就目前普通結(jié)構(gòu)的均質(zhì)機(jī)而言，其極限粉碎細(xì)度在０．１－０．２μｍ。
物料初始粒徑的大小，粒徑的均勻度，是影響均質(zhì)質(zhì)量的重要因素之一。工藝上要求物料的初始粒徑不但要盡可能�。ㄒ话悴粦�(yīng)大于２０μｍ），而且須經(jīng)低能均質(zhì)器械進(jìn)行粗加工，使其粒徑大小盡可能均勻一致。原始物料粒徑的不均勻，均質(zhì)時(shí)很難獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。
混合液中油脂的含量，同樣是決定其質(zhì)量的重要因素之一。當(dāng)施加在混合液中的能量密度相同時(shí)，油脂含量的增加，意味著單元獲得的平均能量的減小，直接影響著混合液的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明，在某一范圍內(nèi)，油脂比例的減少，也是增加均質(zhì)效果的途徑之一，混合液的油脂含量的最大比例應(yīng)該小于５０％。
物料的粘滯度，同樣與均質(zhì)效果和均質(zhì)效率密切相關(guān)的。均質(zhì)壓力一定時(shí)，物料粘度的增加，例如從２ＣＰ增加到２００ＣＰ，物料的粒徑隨之變大，粘度超過(guò)２００ＣＰ，粒徑變大尤為明顯。因此，物料粘度低于２００ＣＰ，均質(zhì)效果較為有效。工藝上，為了達(dá)到降低粘度，簡(jiǎn)單有效的方法是對(duì)物料加熱。對(duì)于特定的物料，例如樹(shù)脂的乳化，利用油脂溶于某一種特定的溶劑中，也能方便有效的降低油脂的粘度。
均質(zhì)機(jī)加工工藝上還有一個(gè)加工次數(shù)的問(wèn)題。均質(zhì)機(jī)只加工一次，很難使大小不一的顆粒獲得相同的能量，結(jié)果是均勻度不理想。實(shí)驗(yàn)證明：均質(zhì)過(guò)程中，大顆粒較容易獲得能量而被粉碎為細(xì)顆粒，而細(xì)顆粒的變小相對(duì)比較困難。由于這兩個(gè)原因，工藝上需要進(jìn)行多次均質(zhì)。經(jīng)過(guò)數(shù)次均質(zhì)，不但使顆粒逐漸變小，而且顆粒大小逐漸趨于一致，均質(zhì)效果大為提高。有效均質(zhì)的最多次數(shù)為九次，超過(guò)九次，效果與耗能比將得不償失。
目前，廣泛使用的均質(zhì)機(jī)大多具有二級(jí)均質(zhì)的功能。一級(jí)閥（高壓閥，下同）與二級(jí)閥（低壓閥，下同）所選用的壓力大小也涉及到均質(zhì)機(jī)的加工工藝問(wèn)題。
國(guó)外對(duì)均質(zhì)機(jī)一級(jí)、二級(jí)閥加工效果的研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，相比較，我國(guó)在這方面的研究還處在起步階段。一級(jí)閥與二級(jí)閥是串聯(lián)使用的，二級(jí)閥壓力的大小，關(guān)系到物料經(jīng)過(guò)一級(jí)閥瞬間壓力降的大小，從而直接關(guān)系到一級(jí)閥的加工效果。因此，二級(jí)閥壓力的選擇并不是隨意的，實(shí)驗(yàn)證明，二級(jí)閥工藝上選擇的壓力應(yīng)控制在系統(tǒng)總壓力的１０％－１５％之間，壓力選擇過(guò)高，反而適得其反。
三、均質(zhì)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
均質(zhì)機(jī)的發(fā)展，一是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，二是要依托科技的發(fā)展。即：需要由新工藝、新設(shè)備、新材料等作為保證。我國(guó)均質(zhì)機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚，較國(guó)外落后了五、六十年。進(jìn)展慢，６０Ｍｐａ高壓均質(zhì)機(jī)的生產(chǎn)，較國(guó)外落后了近八十個(gè)年頭。水平相對(duì)比較低，無(wú)論是材料選擇，加工精度、使用壽命、規(guī)格品種、應(yīng)用領(lǐng)域及能源消耗，都與國(guó)際先進(jìn)水平有著不小的差距，這顯示我國(guó)均質(zhì)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。
隨著我國(guó)人民生活水準(zhǔn)的普遍提升，對(duì)乳制品、飲料的需求急劇增加，每小時(shí)幾噸的均質(zhì)機(jī)已經(jīng)不能適應(yīng)大生產(chǎn)的需要，每小時(shí)產(chǎn)量幾十噸的特大型均質(zhì)機(jī)的需求逐顯迫切。生產(chǎn)質(zhì)量好，性能穩(wěn)定，每小時(shí)產(chǎn)量十幾噸，乃至幾十噸的特大型均質(zhì)機(jī)替代進(jìn)口，是我國(guó)均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。
由于特大型均質(zhì)機(jī)的能耗少則一、二百千瓦，多則四、五百千瓦，能源消耗矛盾十分突出，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，研制高效節(jié)能型均質(zhì)機(jī)，盡量縮小與國(guó)外先進(jìn)水平的差距，對(duì)均質(zhì)機(jī)行業(yè)顯得尤為迫切和重要，這是均質(zhì)機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家需要化大力氣盡快攻克的一個(gè)重要課題。
生物工程、納米技術(shù)，將是本世紀(jì)有著長(zhǎng)足發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。大腸桿菌、酶等細(xì)胞壁的粉碎，納米級(jí)微粒的粉碎，幾十兆帕壓力的均質(zhì)機(jī)顯然是無(wú)能為力的，這就需要我們研制１００－１５０兆帕的超高壓力的均質(zhì)機(jī)。在國(guó)外，這種機(jī)器已經(jīng)提供生產(chǎn)服務(wù)多年，而在我國(guó)幾乎還是空白，這是我國(guó)均質(zhì)機(jī)發(fā)展的又一個(gè)方向。
